電力物聯(lián)網(wǎng)中5G邊緣計算技術的研究

王 亮，鮮 柯

(1.鼎橋通信技術有限公司，上海 201206；2.鼎橋通信技術有限公司，四川 成都 610041)

本文根據(jù)現(xiàn)有電力業(yè)務類型，重點討論5G無線通信和邊緣計算技術優(yōu)勢，并在未來電力物聯(lián)網(wǎng)的“云、管、端、邊”四層架構體系中，提出5G邊緣計算電力網(wǎng)關設備，滿足電力業(yè)務傳輸和管理要求[1-2]。

1 邊緣計算技術的電力物聯(lián)網(wǎng)重要價值

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

電力物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)各類電力設備狀態(tài)的實時感知和數(shù)據(jù)接入，并通過智能控制實現(xiàn)電力業(yè)務智能監(jiān)控和管理。具有較強的靈活性、可接入性和可靠性，不僅能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)運行狀態(tài)，同時具有自我恢復功能，能夠自我平衡自我調(diào)整，智能化處理緊急狀況，保障電網(wǎng)安全運行。

關于電力系統(tǒng)的業(yè)務，主要有配電自動化、用電信息采集、分布式電源、精準負荷控制等業(yè)務，其中配電自動化業(yè)務功能，實現(xiàn)對配電網(wǎng)運行的自動化監(jiān)視與控制，具備饋線自動化、電網(wǎng)分析應用及與相關應用系統(tǒng)互聯(lián)等功能；用電信息采集業(yè)務實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理等功能；分布式電源業(yè)務實現(xiàn)分布式電源運行監(jiān)視和控制，具備數(shù)據(jù)采集和處理、有功功率調(diào)節(jié)、電壓無功功率控制、孤島檢測、調(diào)度與協(xié)調(diào)控制及與相關業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)等功能；精準負荷控制通信系統(tǒng)的通信對象包括接入層電力用戶配電室分路開關及計量裝置，以及骨干匯聚層各級上聯(lián)匯聚站點[3-4]。

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)體系

電力物聯(lián)網(wǎng)分為云、網(wǎng)、邊、端四層(見圖1)。

云層從功能上又分為用戶管理平臺和設備管理平臺，設備管理平臺主要負責邊層的設備管理，包括通用的操作維護功能，以及增強的容器管理、應用管理等功能。用戶監(jiān)控平臺為三方業(yè)務平臺，負責業(yè)務面云端處理。

管層主要負責網(wǎng)絡傳輸，分為有線和無線網(wǎng)絡，有線網(wǎng)絡通過光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)絡要通過5G/4G/3G/2G技術進行數(shù)據(jù)傳輸。

邊側主要負責數(shù)據(jù)匯聚、邊緣計算和數(shù)據(jù)傳輸，5G邊緣計算網(wǎng)關即屬于邊側設備。

端側主要為傳感器、控制器和攝像頭等設備，負責原始數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)通過RS485、LORA、PLC等技術傳送給邊緣網(wǎng)關進行處理。

在傳統(tǒng)的云計算架構中，對云計算中心進行集中部署，客戶通過互聯(lián)網(wǎng)來使用云計算資源，隨著云服務的大規(guī)模應用，這種集中部署云的架構存在一些受限場景。第一類是端側采集數(shù)據(jù)過大，若通過互聯(lián)網(wǎng)特別是無線網(wǎng)絡上傳到云中心，成本高且效率低，如高清視頻的采集和傳輸；第二類是實時業(yè)務，若數(shù)據(jù)上傳到中心服務云處理再下發(fā)，無法滿足低時延的要求，如電力精控業(yè)務；第三類對業(yè)務可靠性較高的業(yè)務，若出現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸問題或云計算中心出現(xiàn)故障，則會導致業(yè)務出現(xiàn)中斷。在此背景下提出了邊緣計算技術的概念，邊緣計算節(jié)點靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務[5]。

邊緣計算節(jié)點可以在云計算中心的統(tǒng)一管控下，對采集數(shù)據(jù)進行處理和存儲，用以節(jié)約資源，降低成本，以及提高效率和業(yè)務連續(xù)性。邊緣計算節(jié)點數(shù)據(jù)處理存在下列幾種情況：一是邊緣計算節(jié)點對采集數(shù)據(jù)進行初步處理，再將處理結果上傳給云計算中心，主要目的是降低傳輸成本，提高運營效率；二是有云計算中心將算法下發(fā)到邊緣計算節(jié)點，由邊緣計算節(jié)點提供算力對本地數(shù)據(jù)進行處理，可降低海量數(shù)據(jù)對云計算中心的沖擊，實現(xiàn)處理能力負荷分擔；三是針對實時控制類業(yè)務，邊緣計算節(jié)點可直接處理原始數(shù)據(jù)并將處理結果反饋給邊側設備，可降低處理時延，同時提高業(yè)務可靠性。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算面臨的難點

輸電/配電自動化是電力關鍵業(yè)務之一，主要目的是保障供電的可靠性。輸電/配電自動化的工作分階段逐步發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)的應用包括主干輸電線路的光纖聯(lián)網(wǎng)，以及部分發(fā)達區(qū)域的分布式FA等應用。隨著容易布設光纖的地方都已經(jīng)布設了光纖，剩下的地方光纖連接成本高昂，配電自動化智能化的推進也受到了一定程度的阻礙。為了解決光纖連接成本高部署不易的問題，電力行業(yè)嘗試自己建設無線專網(wǎng)，通過集成抄表、遙控等多種應用，提升無線網(wǎng)絡的規(guī)模，降低無線網(wǎng)絡的成本。然而由于4G/3G/2G無線技術受限帶寬、時延等性能指標，傳統(tǒng)無線通信技術無法滿足輸電/配電自動化業(yè)務的傳輸要求。

以分布式FA(factory automation)為例，分布式FA主要應用于配電領域，其主要目的是避免發(fā)生電力事故時導致大面積停電，從而提高供電的可靠性，分布式FA對時延和可靠性要求極高，需要在很短的時間內(nèi)完成一系列動作，包括故障檢測、故障定位、故障隔離等。整個系統(tǒng)留給通信的時延很短，只有10 ms左右，IEC 61850中規(guī)定了Class P1的通信時延為10 ms，如果整個系統(tǒng)不能在上述時間內(nèi)完成相關動作，那么發(fā)生生產(chǎn)事故的概率也就增大，因此低時延和高可靠的通信技術是使能技術，是實現(xiàn)分布式FA的前提條件。

另一個案例是精準負控業(yè)務，也就是精確的控制負載的關斷和閉合，其主要目的是讓電力供應按照優(yōu)先級來實施。如果設備之間無法通信，電力行業(yè)只能進行大顆粒度的斷電，會造成很多不必要的經(jīng)濟損失。最合理的方法是根據(jù)每個節(jié)點的供電優(yōu)先級別，進行精細化的管理，也就是精準負控，這需要在每個配電末梢節(jié)點上安裝低時延的遙控設備，若無線通信技術滿足低時延性能要求，節(jié)點進行本地處理，然后將處理結果上報給周圍的節(jié)點，或者中央處理中心，無線通信的成本相比光纖來說會低很多。

3 解決方案和策略

3.1 低時延滿足電力實時性

在目前的網(wǎng)絡架構中，主網(wǎng)絡需要進行高位部署，這也就導致了較長的傳輸延遲，難以提高優(yōu)質(zhì)的極端延遲服務。4G技術的應用能夠?qū)o線接口的速率提高10倍，但是端到端的延遲優(yōu)化效果卻只有3倍。這主要是由于空中效率得到了大幅提升，但網(wǎng)絡架構的不完全優(yōu)化卻不能夠保證業(yè)務的延遲。雖然說LTE 網(wǎng)絡架構過程中采用的是扁平的兩跳結構，但是其網(wǎng)絡基站卻建設在數(shù)百公里之外，因此在數(shù)據(jù)的傳輸過程中會因為設備的數(shù)據(jù)傳輸以及擁堵等問題的隨機性，將導致低延遲問題。所以，要減少等待的時間和功耗，就需要減少空中接口的傳輸延遲，保證源節(jié)點和節(jié)點之間保持較小的“距離”。新一代無線通信技術5G采用更小時域粒度傳輸單元、自時隙結構、靈活時隙配置等方案，進一步降低無線空口傳輸時延[6]。

3.1.1 基于時隙調(diào)度

傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡最小資源分配單位為子幀(1毫秒)，而5G為了進一步降低時延，最小資源分配單位為時隙或符號，如圖3，其中無線子幀固定10毫秒，子幀固定1毫秒，1個無線幀有10個子幀，1個時隙固定14個符號(見圖2)。

每個子幀有n個時隙，且n取決于子載波參數(shù)配置(見表1)，子載波寬度配置越大，則每子幀時隙數(shù)越多，單個時隙的時間就越短，如子載波寬度配置為480 kHz時，每子幀有32個時隙，1個時隙僅0.031 25毫秒，若采用時隙為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，則無線傳輸時延最低僅為4 G傳輸時延的3%，若采用MINI時隙為單位進行傳輸，1個時隙有14個符號，最小時域傳輸單位可以為2、4、7個符號，無線傳輸時延最低可在正常時隙調(diào)度的基礎上進一步降低80%。

表1 5G子載波配置Tab.1 5G subcarrier configuration

3.1.2 自時隙調(diào)度結構

5G為了進一步降低時延，定義了自包含時隙/子幀結構。同一個時隙/子幀包含下行DL、GAP和上行UL，其中下行自包含時隙/子幀包括DL數(shù)據(jù)和對象的HARQ反饋(見圖3)，上行自包含時隙/子幀包含UL數(shù)據(jù)和對應的調(diào)度信息(見圖4)，最短可在一個時隙或一個子幀完成數(shù)據(jù)傳輸和響應，最大可比4G降低90%調(diào)度等待時延開銷[7]。

圖3下行自包含時隙/子幀
Fig.3 Downlink self contained slot/subframe

圖4上行自包含時隙/子幀
Fig.4 Uplink self contained slot/subframe

3.1.3 靈活時隙配置

5G幀配比支持RRC信令和DCI信令多層嵌套配置，可實現(xiàn)符號級動態(tài)TDD，可根據(jù)不同的業(yè)務需求動態(tài)配置，實現(xiàn)低時延目標，5G采用四層結構靈活配置時隙(如圖5)，第一層采用小區(qū)RRC信令半靜態(tài)配置，通過小區(qū)系統(tǒng)消息對終端進行配置，第二層采用終端專用RRC信令半靜態(tài)配置，通過終端高層RRC信令對UE配置，第三層為終端-群組SFI信令動態(tài)配置，通過PDCCH信道DCI2_0對UE進行配置，第四層為終端特殊DCI信令動態(tài)配置，通過PDCCH信道DCI0或DCI1進行配置，通過上述四層配置結構，可根據(jù)業(yè)務類型實現(xiàn)對終端配比靈活配置，降低用戶面業(yè)務時延[8]。

3.2 業(yè)務差異化管理滿足電力業(yè)務高可靠性

5G時代到來之后，業(yè)務的類型更加豐富多樣，為了區(qū)分不同業(yè)務類型的需求，5G網(wǎng)絡能力可以提供不同的QoS保障。網(wǎng)絡切片技術可以保證從核心網(wǎng)到接入網(wǎng)，包括終端等環(huán)節(jié)，能動態(tài)、實節(jié)、時、有效地分配網(wǎng)絡資源，從而保證質(zhì)量、時延、速時、源量延度、帶寬等方面的業(yè)務質(zhì)量。而邊緣計算在一定程度量度上與網(wǎng)絡切片技術相似，將網(wǎng)絡切片和邊緣計算結合起來，才能更好的實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡服務。邊緣計算能按照不同業(yè)務的需求在5G網(wǎng)絡中進行分層部署。切片保證不同類型的業(yè)務有專有的網(wǎng)絡資源，具有邊緣計算能力的端到端的切片網(wǎng)絡，為用戶提供最佳的、基于服務等級協(xié)議的QoS保障。在5G場景下QoS Flow是PDU會話中QoS差異化的最細粒度，不同的電力業(yè)務可映射到不同的Qos Flow，每個QoS Flow由一組QoS參數(shù)來表述，包括5QI、ARP、GFBR/MFBR、UE-AMBR等[9-11]。

3.2.1 5QI

5QI(5G qos class identifier)是一個標量，用作5G QoS(quality of service)特征的參考。5QI定義在表2，即特定接入節(jié)點的參數(shù)，這些參數(shù)用來控制QoS轉發(fā)處理方式(例如調(diào)度權重，準入門限，隊列管理門限，鏈路層協(xié)議配置等)，其中資源類型決定了是否能夠永久分配和QoS流保證流比特率關聯(lián)的特定的網(wǎng)絡資源，這些資源由基站的準入控制功能分配。因此，GBR(guaranteed bit rate)QoS流通常被“按需”授予。Non-GBR QoS流可以通過靜態(tài)策略和計費控制預授予資源。丟包率表示發(fā)送端的鏈路層協(xié)議(例如3GPP接入中的RLC層)成功處理，但是沒有被接收方對應實體成功發(fā)給上層(例如3GPP的PDCP層)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(例如IP報文)的比例上限。優(yōu)先級水平(priority level)用于同一個終端的不同QoS流，也可以用于不同終端的不同QoS流，用于調(diào)度優(yōu)先級計算。

表2 5QI業(yè)務映射表Tab.1 Mapping table of 5QI business

3.2.2 ARP優(yōu)先級

ARP優(yōu)先級包含了搶占能力和被搶占屬性。優(yōu)先級水平定義了一個資源請求的相對重要性。這樣，在資源受限的情況下，能夠決定一個新的QoS Flow應該接受還是拒絕(典型場景是GBR業(yè)務的接受控制)。它也可以用于決定在資源受限時，搶占哪個現(xiàn)有QoS Flow。ARP優(yōu)先級范圍從1到15，1是最高優(yōu)先級。搶占能力(pre-emption capability)定義了一個具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流是否能夠搶占一個已有的較低優(yōu)先級的流的資源。被搶占屬性(pre-emption vulnerability)定義數(shù)據(jù)流是否可能丟失分配給它的資源，以允許具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流使用這一資源。搶占能力和被搶占屬性應設置為yes或no(只有搶占能力或被搶占屬性設置為yes，ARP值才能起作用[12]。

3.2.3 業(yè)務速率配置

對于保障速率QoS流，5G QoS通過GFBR和MFBR進行速率保證，GFBR(guaranteed flow bit rate)表示Qos流保障速率要求，MFBR(maximum flow bit rate)表示Qos流最大速率要求， GFBR表明了期望由GBR QoS流提供的比特率。MFBR限制了期望由GBR QoS流提供的比特率(例如：超出的業(yè)務可以被速率整形功能丟棄)。

對于非保障速率Qos流(Non-GBR QoS flows)，5G Qos通過UE-AMBR進行速率保證，UE-AMBR(UE aggregate maximum bit rate)

表示當前終端下所有non-GBR QoS流提供的聚合速率的期望值。

3.2.4 調(diào)度優(yōu)先級

對于業(yè)務保障，5G無線通信技術可根據(jù)無線信道質(zhì)量和業(yè)務Qos要求聯(lián)合計算調(diào)度優(yōu)先級，調(diào)度優(yōu)先級按照一定策略計算優(yōu)先級，表征的是業(yè)務在無線空口傳輸?shù)恼{(diào)度次序，優(yōu)先級越高，則該業(yè)務優(yōu)先分配無線空口資源并進行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證多業(yè)務并發(fā)場景下的業(yè)務傳輸要求，調(diào)度優(yōu)先級PRI計算公式如下：

(1)

其中eff表示無線信道頻譜效率，信道質(zhì)量越好，SINR越高，則無線信道頻譜效率越高，rate表示業(yè)務數(shù)量，γ5QI表示該業(yè)務流對應5QI的優(yōu)先級，F(xiàn)(delay)表示該業(yè)務無線平均傳輸時延與該業(yè)務對應5QI時延要求之比，若信道質(zhì)量越好或時延要求越高，則該業(yè)務優(yōu)先級越高，傳輸?shù)乃俾试礁?，這樣兼顧5G空口傳輸效率的基礎上，優(yōu)先保證高可靠性業(yè)務的傳輸需求[13-14]。

3.3 業(yè)務安全隔離

業(yè)務安全隔離是保障電力業(yè)務安全運行的關鍵技術之一，5G對電力業(yè)務進行差異化數(shù)據(jù)傳輸，采用邊緣計算容器技術可繼續(xù)對電力業(yè)務進行差異化數(shù)據(jù)處理，不同的容器映射到不同的5G Qos流業(yè)務，然后將應用程序封裝在容器中，對不同的5G Qos流實現(xiàn)細粒度資源控制和隔離。容器可以定義為單個操作系統(tǒng)映像，將一組隔離的應用程序及其從屬資源，以便它們與主機分開運行機。同一臺主機中可能運行著多個這樣的容器。容器分為兩類：操作系統(tǒng)級別，整個操作系統(tǒng)在主機內(nèi)的隔離空間，共享同一內(nèi)核作為主機；應用程序級別：一個應用程序或服務，最小該應用程序所需的進程在隔離的空間中運行在主機內(nèi)。

實現(xiàn)操作維護系統(tǒng)和業(yè)務系統(tǒng)的隔離，既能保護第三方業(yè)務的知識產(chǎn)權(二開需求)，特別是系統(tǒng)安全，又能將責任界定清楚，各自負責業(yè)務看護。用戶將自定義的第三方APP軟件裝載在不同的容器進行獨立運行，方便業(yè)務部署，同時擴大邊緣計算設備的通用性[15]。

4 技術實現(xiàn)

5G邊緣計算網(wǎng)關主要有北向通信、容器、維護管理、南向通信等模塊(見圖6)，其中北向通信模塊內(nèi)置5G通信模塊，通過無線或有線網(wǎng)絡與云端服務器進行通信，可將電力業(yè)務無線傳輸時延控制在1ms以內(nèi)，實現(xiàn)電力業(yè)務低時延精準控制，同時通過5G對電力業(yè)務差異化傳輸，優(yōu)先保證高可靠性業(yè)務Qos性能，內(nèi)置容器隔離模塊，將南向電力傳感器、控制器、攝像頭原始采集的數(shù)據(jù)進行處理，且不同的容器可獨立負責不同業(yè)務的邊緣技術處理，且相互隔離，保證業(yè)務之間不影響，并將處理結果通過北向通信模塊傳輸?shù)接脩舯O(jiān)控平臺進行后續(xù)處理，維護管理模塊主要負責網(wǎng)關的設備管理和維護，如參數(shù)配置，軟件升級、異常監(jiān)控等功能，且設備管理平臺可通過北向通信控制維護管理模塊進行遠程管理，南向通信模塊內(nèi)置PLC/LORA/RS485等中短距通信子模塊，負責與邊側的電力傳感器、控制器、攝像頭進行數(shù)據(jù)采集和管理[16-18]。

5 結語

本文結合當前電力業(yè)務特點分析了基于邊緣計算架構的電力物聯(lián)網(wǎng)在實際應用中遇到的具體技術問題。通過結合5G無線通信網(wǎng)絡技術，指出采用特有的時延保障技術和業(yè)務保障方案能夠滿足電力業(yè)務對低時延和高可靠性需求，有效提高電力物聯(lián)網(wǎng)的處理效率、業(yè)務安全和智能化管理水平。采用對基于5G無線傳輸和邊緣計算能力的電力邊緣計算網(wǎng)關的軟件架構和設計方案的分析，指出改進電力物聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算有效性和安全性對于電力業(yè)務的重要價值。